DE68903951T2

DE68903951T2 - Verfahren fuer die herstellung mikromechanischer messfuehler fuer afm/stm-profilometrie und mikromechanischer messfuehlerkopf.

Info

Publication number: DE68903951T2
Application number: DE8989115100T
Authority: DE
Inventors: Thomas Bayer; Johann Dr Dipl Phys Greschner; Georg Kraus; Helga Weiss; Olaf Dr Dipl Phys Wolter
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1989-08-16
Filing date: 1989-08-16
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2009-08-17
Also published as: DE68903951D1; EP0413042B1; JPH03162602A; JPH0762258B2; US5051379A; EP0413042A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Sensoren für die AFM/STM Profilometrie, welche aus einem Balken mit einer Spitze an einem Ende und einem Befestigungsblock am anderen Ende bestehen. Die Erfindung betrifft auch einen Sensorkopf, welcher nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde.
Das Raster-Tunnelmikroskop (STM, nach englisch scanning tunneling microscope) hat die Entwicklung neuer Technologien für die Mikrocharakterisierung von Materialien stimuliert, welche auf der Verwendung einer sehr feinen Spitze basieren. Eine dieser Technologien umfaßt das Raster-Kraftmikroskop (AFM, nach englisch atomic force microscope), welches vor kurzem gezeigt hat, daß es möglich ist, Leiter und Nichtleiter abzutasten und abzubilden.
In der ursprünglichen Ausführungsform des AFM (Binnig G, Quate CF, Gerber Ch, (1986) Atomic Force Microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930 - 933 und EP-A-0 223 918) tastet ein Sensor, bestehend aus einem federähnlichen Balken, der an einem Ende starr befestigt ist und an seinem freien Ende eine dielektrische Spitze trägt, die Oberfläche eines Gegenstandes zeilenförmig ab. Die Kraft zwischen der Oberfläche des Gegenstandes und der Spitze bewirkt eine Ablenkung des Balkens, und diese Ablenkung kann mit höchster Genauigkeit, beispielsweise mit einer zweiten Spitze, welche Bestandteil eines STM's ist, gemessen werden. Eine laterale, räumliche Auflösung von 3 nm konnte ursprünglich realisiert werden.
Eine andere Version des AFM umfaßt optische Detektion anstelle von STM Detektion. Bei dieser ist eine Wolframspitze am Ende eines Drahtes auf einem piezoelektrischen Aktuator befestigt. Der Aktuator versetzt die Spitze in Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des Drahtes, welcher als Balken wirkt, und ein Laser-Heterodyn-Interferometer mißt die Amplitude der Wechselschwingung mit höchster Genauigkeit. Der Gradient der Kraft zwischen Spitze und Probe modifiziert die Nachgiebigkeit des Balkens, induziert dadurch eine Änderung der Schwingungsamplitude, die auf die Verschiebung der Resonanzfrequenz des Balkens zurückzuführen ist. Wenn die Charakteristik des Balkens bekannt ist, kann die Schwingungsamplitude als Funktion des Spitzen-Proben-Abstands gemessen werden, um den Gradient der Kraft und damit die Kraft selbst ableiten zu können (Duerig UT, Gimzewski JK, Pohl DW (1986) Experimental Observation of Forces Acting During Scanning Tunneling Microscopy, Phys. Rev. Lett. 57, 2403 - 2406; and Martin Y, Williams CC, Wickramasinghe HK (1987) Atomic Force Microscope-Force Mapping and Profiling on a sub 100-Å Scale, J. Appl. Phys. 61(10), S. 4723 - 4729.
Die kritischste Komponente des AFM ist der federähnliche Balken. Da ein Maximum an Ablenkung für eine gegebene Kraft gefordert wird, ist ein Balken erforderlich, der so weich wie möglich ist. Gleichzeitig ist ein steifer Balken mit einer hohen Eigenfrequenz erforderlich, um die Empfindlichkeit gegen Gebäudeschwingungen zu minimieren. Gewöhnlich sind Schwingungen aus der Umgebung, im wesentlichen Gebäudeschwingungen, in der Größenordnung von < 100 Hertz. Wenn der Balken so gewählt wird, daß er eine Eigenfrequenz fo ≥ 10 kHz aufweist, werden die Schwingungen aus der Umgebung auf einen zu vernachlässigenden Wert abgeschwächt. Diese Anforderungen können nur erfüllt werden, wenn, wie die beiden nachfolgenden Gleichungen reflektieren, die geometrischen Dimensionen des Balkens reduziert werden:
Die Eigenfrequenz fo des Balkens ist gegeben durch die Formel
in der E der Elastizitätsmodul, die Dichte, und K ein Korrekturfaktor nahe 1 ist; 1 ist die Länge, und t die Dicke des Balkens.
Die Federkonstante des Balkens, von der seine Empfindlichkeit abhängt, ist gegeben durch
in der F die Kraft ist, welche die Ablenkung Y des Balkens bewirkt, E ist der Elastizitätsmodul, w ist die Breite, 1 die Länge, und t die Dicke des Balkens. In Übereinstimmung mit der Gleichung für die Federkonstante ist die Empfindlichkeit des Balkens abhängig von seinen Dimensionen und dem Material, aus dem derselbe besteht, wobei die höchste Empfindlichkeit für lange, dünne und schmale Balken erhalten wird. Die Breite des Balkens sollte hinreichend groß sein, so daß laterale Schwingungen unterdrückt werden. Auch sollte die Breite des Balkens die Herstellung zusätzlicher Strukturen, wie Spitzen, auf demselben gestatten. Deshalb erscheint eine minimale Breite w von etwa 10 um als vernünftig. In der Praxis hat C in der Größenordnung von etwa ≥ 1 N/m zu sein, um Instabilitäten während des Abtastens von Anziehungskräften und übermässige thermische Schwingungen des Balkens zu vermeiden, und um eine meßbare Reaktion zu erhalten.
Die Dimensionen eines Balkens, die kompatibel sind mit C = 1 N/m, und fo = 10 kHz sind zum Beispiel: 1 = 800 um, w = 75 um, und t = 5.5 um.
Im normalen Ablenkungsmodus des Balkens können Kräfte in der Größenordnung von 10&supmin;¹² N nachgewiesen werden. Die Empfindlichkeit des Sensorkopfes kann weiter gesteigert werden, indem die Probe, die abgetastet wird, in Schwingungen mit der Resonanzfrequenz fo des Balkens versetzt wird, wie von G. Binnig et al in Phys. Rev. Lett. 56 (1986), S. 930 - 933 beschrieben wird.
In dem AFM, das realisiert wurde in Übereinstimmung mit dem Binnig et al Artikel und mit EP-A-0 223 918, wurden die Anforderungen an Balken und Spitze eingehalten durch die Verwendung einer Goldfolie mit einer Dicke von etwa 25 um, einer Länge von 800 um, und einer Breite von 250 um, auf der ein Diamantfragment mit einer kleinen Menge an Klebstoff befestigt war. Nach einem anderen Vorschlag wurden mikromechanische Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm- (1.5 um dicke) SiO&sub2; Mikrobalken mit sehr niedrigem Eigengewicht verwendet, auf die durch Aufdampfen eines Materials durch ein sehr kleines Loch Miniaturkonen aufgewachsen werden konnten (Albrecht ThR, Quate CF, (1988) Atomic Resolution with the Atomic Force Microscope on Conductors and Nonconductors, J. Vac. Sci. Technol., S. 271 - 274.
Die zuvor erwähnten Diamantfragmente, die an einer Stelle am Ende der Balken aufgeklebt wurden, um Spitzen zu erhalten, erfüllen die technischen Anforderungen für Balken-und-Spitze Aufbauten zur Verwendung im STM oder AFM nicht, weil erstens die Masse des Diamantfragments zu groß ist, um die erforderlichen hohen Eigenfrequenzen zu erhalten, und zweitens sich Mechanismen an der adhäsiven Oberfläche des Balkens entwickeln, die die Qualität des STM oder AFM Balken-und-Spitze Aufbaus negativ beeinflussen.
Der zuvor erwähnte Vorschlag, unter Verwendung mikromechanischer Verfahren Si0&sub2; Mikrobalken herzustellen, auf denen Miniaturkonen durch Aufdampfen aufgewachsen werden konnten, ist nachteilig, weil aufgedampfte Spitzen schlecht auf dem Substrat haften, und der Spitzendurchmesser an der Basis auf einige 10 bis 20 um beschränkt ist. Der Balkenaufbau eines STM oder AFM ist relativ zerbrechlich, und es ist praktisch unmöglich, ihn zu reinigen, wenn er durch Material von der Oberfläche, die abgetastet wird, kontaminiert ist, so daß ein häufiger Ersatz erforderlich ist.
Aus dem zuvor beschriebenen Stand der Technik war bekannt, in einem ersten Prozeßschritt Balken herzustellen, und in einem zweiten Prozeßschritt Spitzen daran zu befestigen. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Herstellung eines Balkens mit einer Spitze dieses Typs extrem schwierig und nur mit niedriger Ausbeute durchführbar ist.
Es ist deshalb erwünscht, ein Verfahren zur Herstellung eines Balkenaufbaus anzugeben, an dessen freiem Ende eine Mikrominiaturspitze befestigt ist zur Anwendung in einem STM oder AFM, wobei diese Mikrominiaturspitze gleichmäßig, scharf, gut ausgebildet und dauerhaft und preiswert in der Herstellung ist. Die Balken mit integrierter Spitze werden hergestellt durch Anwendung eines Mikrofabrikationsverfahrens. Dieses Verfahren gestattet, die Spitze in jeder gewünschten Form herzustellen, z. B. den Spitzendurchmesser auf nahezu Null zu schrumpfen, und stellt eine reproduzierbare Methode zur Herstellung integrierter Spitzen dar, welche ein bedeutender Beitrag zur STM/AFM Technologie ist. Da jeder Balken sehr klein ist, können hunderte von Balken- und-Spitze Aufbauten gleichzeitig auf einem einzelnen Wafer hergestellt werden unter Ausnutzung der ausgezeichneten Reproduzierbarkeit und der niedrigen Kosten für Serienfabrikation.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung von Mikrobalken mit integrierten Spitzen anzugeben, das eine geeignete Kombination von Abscheidungs-, Lithographie-, Naß- und Trockenätzprozeßschritten umfaßt.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 11. Die Erfindung umfaßt auch mehrstufige Masken zum Ätzen gemäß den oben angegebenen Verfahrensansprüchen (Ansprüche 13 und 14) und Strukturen (Anspruch 15), die gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt wurden.
Vor dem Beginn der Beschreibung der Details der Erfindung wird Bezug genommen auf die folgenden Veröffentlichungen, die sich auf Mikromechanik beziehen:
Petersen, KE, Dynamic Micromechanics on Silicon, Techniques and Devices, Vol. ED-25, No. 10, October 1978, S. 1241-1250;
Petersen, KE, Silicon as a Mechanical Material, Proc. of the IEEE, Vol. 70, No. 5, May 1982, S. 420 - 457; und
Jolly, RD, Muller, RS, Miniature Cantilever Beams Fabricated by Anisotropic Etching of Silicon, J. Electrochem. Soc.: Solid-State Science and Technology, December 1980, S. 2750 - 2754.
Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können Mikrobalken mit niedrigem Gewicht und integrierten Spitzen hergestellt werden, die an einem Ende ein kleines Waferstück tragen zur Befestigung des Balkens in dem AFM, und am gegenüberliegenden Ende eine integrierte Spitze für die Wechselwirkung mit der Oberfläche der Probe, die abgetastet wird. Die Kraft- und Resonanzfrequenzanforderungen an Balken und integrierte Spitze werden durch die Verwendung von Mikrofabrikationsverfahren eingehalten. Durch die Tatsache, daß Balken und Spitze aus einem Stück Material hergestellt werden, treten keine Adhäsionsprobleme zwischen Balken und Spitze auf.
Details verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Beispielen und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Es sind:
Fig. 1 zeigt einen Balken, der an einem Ende ein kleines Waferstück trägt, welches fest mit einem piezoelektrischen Bimorph verbunden ist, und einer scharfen Spitze an seinem freien Ende.
Fig. 2 zeigt eine Folge von Prozeßschritten zur Herstellung eines Balkens mit integrierter Spitze, der aus einem Siliciumwafer-Substrat herausgearbeitet wurde unter Verwendung einer Maske mit zwei Informationsebenen und photolithographischen und Ätzschritten.
In Fig. 1 ist ein Balken (1) gezeigt, der an einem Ende ein Waferstück (3) trägt, welches fest mit einem piezoelektrischen Bimorph (4) verbunden ist, und einer scharfen Spitze (2) an seinem freien Ende. Balken (1) und Spitze (2) können aus jeglichem festen Material bestehen, beispielsweise aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, SiC, dotiertem monokristallinem Silicium, oder aus monokrystallinem Silicium.
In einem ersten Beispiel wird eine Schicht aus festem Material, vorzugsweise SiO&sub2;, auf einen Siliciumwafer, vorzugsweise einen (100) Wafer, aufgetragen. Mittels zweier lithographischer Schritte werden Balken- und Spitzenmaske definiert, gefolgt von geeigneten Naß- oder Trockenätzschritten zu deren Realisation. Anschließend wird diese Information Schritt für Schritt von den Masken in das Substrat übertragen. Es sind einige technologische Fähigkeiten vonnöten, um diese Prozeßsequenz erfolgreich durchführen zu können, wie aus der nachfolgenden detaillierten Prozeßbeschreibung von Beispiel 1 unter Bezugnahme auf Fig. 2 hervorgeht.
Dieses Beispiel bezieht sich auf die Entwicklung einer zusätzlichen Struktur, beispielsweise einer Spitze, auf einem bereits dreidimensional strukturierten Substrat, beispielsweise einem Balken. In diesem Prozeß treten beispielsweise Probleme auf, wenn die flexiblen und zerbrechlichen Balken mit einem Photoresist für die nachfolgende Belichtung beschichtet werden müssen. Diese und andere Probleme werden dadurch gelöst, daß eine Maske, welche auf ein Substrat aufgetragen wird, in einer solchen Weise strukturiert ist, daß sie alle relevanten Informationen für den nachfolgenden Substratätzprozeß enthält. Das heißt, daß die Strukturen aller Lithographieschritte eine nach der anderen vor dem Substratätzen in die Maske geätzt werden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Substrat-Ätzprozeßschritten ist ein Maskenätzschritt, der jedoch keinen zusätzlichen Lithographieschritt erfordert. Diese mehrstufige Maske kann in der konventionellen Planartechnologie hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß keine Probleme vorhanden sind hinsichtlich Photoresistbedeckung und Belichtung, weil die Maske eine Dicke von nur einigen wenigen um aufweist. Der Prozeß profitiert von der hohen Selektivität Maske versus Substrat in dem Substratätzprozeß, der entweder Naß- und/oder Trockenätzschritte umfassen kann.
Wie in Fig. 2a gezeigt ist, wird ein (100) Siliziumwafer (41) beidseitig mit Siliciumdioxid beschichtet. Die Oxidschichten (43) und (42) auf der Ober- und Unterseite werden thermisch zu einer Schichtdicke von etwa 3 um aufgewachsen. In einem ersten photolithographischen Schritt werden die Muster von Balken (45) und der rechteckigen Öffnungen (46) definiert. Zu diesem Zweck wird eine etwa 3 um dicke AZ 1350 Positiv- Photoresistschicht beidseitig auf den mit Oxid bedeckten Wafer aufgetragen (nicht gezeigt). Die Photoresistschichten auf beiden Seiten werden gleichzeitig belichtet und entwikkelt. Das Oxid auf beiden Seiten wird geätzt in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure oder durch reaktives Ionenätzen unter Verwendung von CF&sub4; als Ätzgas und einem Druckbereich von 1 bis 10 ubar für eine Zeit, die von der gewünschten Ätztiefe auf der Oberseite abhängig ist. Als nächstes wird die Oberseite durch eine gehärtete Photoresistschicht geschützt, und der Oxidrückstand in den freigelegten Bereichen (46) auf der Unterseite des Wafers durch Ätzen in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt. Die resultierende Stuktur wird in Fig. 2a gezeigt. Es sei bemerkt, daß es extrem wichtig ist, mit der Balkenmaske und nicht mit der Spitzenmaske zu beginnen, denn nur die Balkenmaske kann vollständig mit Photoresist planarisiert werden.
In einem zweiten photolithographischen Schritt wird das Muster der Spitze definiert in einer neu aufgetragenen Photoresistschicht über dem Siliciumdioxid-Balkenmuster (45) (nicht gezeigt). Das Photoresistmuster der Spitze wird in das Siliciumdioxid übertragen durch Ätzen in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure oder durch reaktives Ionenätzen. Während dieses Ätzschritts wird das Balkenmuster auf eine tiefere Ebene der Schicht (43) übertragen, und die Dicke der verbleibenden Siliciumdioxidschicht (43) wird entsprechend reduziert. Die Unterseite des Wafers wird während dieses Schritts durch eine gehärtete Photoresistschicht geschützt. Die resultierende Siliciumdioxid-Maskenstruktur (45, 48), die anschließend Schritt für Schritt in das Siliciumsubstrat (41) übertragen wird, ist in Fig. 2b gezeigt.
Vor dieser Maskenstrukturübertragung wird der Siliciumwafer (41) dünner gemacht durch Ätzen von der Unterseite auf eine Dicke, welche etwa der zweifachen Dicke des Balkens plus zweimal der Höhe der Spitze plus etwa 10 um der restlichen Dicke entspricht. Dieser Ätzschritt, welcher eine etwa 37.5 Gew% wässrige KOH Lösung bei etwa 80º C verwendet, ist anisotrop. Die resultierende Struktur ins in Fig. 2c gezeigt.
Als nächstes wird, wie in den Fign. 2c, d gezeigt, die Siliciumdioxidschicht (43) mit den Strukturen (45) und (48) in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure oder durch reaktives Ionenätzen bis zu einer solchen Tiefe geätzt, daß die Siliciumdioxidbereiche (49), die an die Balkenmaske (45) angrenzen, entfernt werden. Ein anisotroper Naßätzschritt mit wässriger KOH Lösung unter den zuvor angegebenen Bedingungen folgt für die Übertragung des Balkenmusters (45) in den Siliciumwafer (41). Dieser Schritt entfernt die Bereiche des Siliciumwafers (41), die ursprünglich unter den Siliciumdioxidbereichen (49) lagen bis zu einer Tiefe, die der gewünschten Dicke des Siliciumbalkens entspricht. Zur gleichen Zeit wird der Wafer von der Rückseite her entsprechend dünner gemacht.
Nun werden die Siliciumdioxid-Balkenmaske (45) und die restlichen Siliciumdioxidbereiche (43) entfernt durch Ätzen in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure oder durch reaktives Ionenätzen. Das folgende Ätzen der Spitze in 37.5 Gew% KOH Lösung bei etwa 60º C mit einer lateralen Ätzgeschwindigkeit, die etwa zweimal so hoch ist wie die Ätzgeschwindigkeit in die Tiefe, ist der zeitkritischste Schritt des gesamten Ätzzyklus. Deshalb ist eine sorgfältige Überwachung durch optische Inspektion unerläßlich.
Die Ätztiefe HSpitze ist gegeben durch die empirische Formel:
H- 1/3.6 ∅Spitze (∅Spitze= Durchmesser Spitzenmaske).
Am Ende des Ätzens der Spitze fällt die Siliciumdioxid- Spitzenmaske (48) von der Siliciumspitze (410) ab. Das Ätzen der Spitze ist in Fig. 2e gezeigt.
Die in den Bereichen (49) verbleibende Siliciummembran (41) wird nun von der Unterseite des Wafers geätzt. Dieser Ätzschritt umfaßt reaktives Ionenätzen unter Verwendung von CF&sub4; als Ätzgas und und einem Druck von etwa 10 ubar, ohne daß die Oberseite der Siliciumstruktur beeinträchtigt wird. Schließlich wird eine kleines Stück des Wafers ausgeschnitten zur Befestigung des Balkens auf einem piezoelektrischen Bimorph, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Der oben beschriebene Ätzprozeß liefert eine mikromechanische einkristalline Siliciumstruktur, welche aus einem Balken mit einer integrierten Spitze besteht, die in die (100) Richtung weist. Der Spitzenradius ist < 10 nm, ein Wert, der zuvor niemals erreicht wurde. Die Dicke des Balkens ist im Bereich von 1 um bis 20 um, und die Balkenfederkonstante ist im Bereich von 1 N/m bis 100 N/m. Balken mit diesen Eigenschaften werden vorzugsweise im AFM verwendet.
Anhand eines zweiten Beispiels wird ein Verfahren zur Herstellung monokristalliner monolithischer Siliciumspitzen beschrieben. Die entsprechenden Spitzen können mit einer Höhe von etwa 20 um oder 2 um, je nach der Orientierung der Spitze, hergestellt werden.
Für das Abtasten von Probenoberflächen mit einem STM müssen diese Spitzen sehr nahe hinsichtlich der Probenoberfläche angeordnet werden. Die Spitze sollte ganz eindeutig aus ihrer Befestigung herausragen, um jeglichen Kontakt zwischen Probe und Befestigung zu vermeiden.
Es ist deshalb erwünscht, diese Spitzen beispielsweise auf einen Sockel zu setzen. Um dieses zu realisieren wird eine etwa 2 um dicke Siliciumdioxidschicht thermisch auf einem (100) Siliciumwafer aufgewachsen. In einem ersten photolithographischen Schritt werden Scheiben mit einem Durchmesser von 500 um in der Siliciumdioxidschicht in einer Reihe definiert. Diese Scheiben werden die Ätzmasken für die Siliciumsockel bilden. Das Oxid wird in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure zu einer Tiefe von etwa 1.1 um geätzt. In einem zweiten photolithographischen Schritt werden Scheiben mit einem Durchmesser von 80 um in dem Siliciumdioxid, welches über den 500 um Scheiben angeordnet ist, definiert. Diese Scheiben mit kleinerem Durchmesser werden die Ätzmasken für die Siliciumspitzen bilden. Das Oxid wird in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure zu einer Tiefe von etwa 1.1 um geätzt. Die resultierende Siliciumdioxidmaske, welche der Maske entspricht, die im vorherigen Beispiel in Fig. 2b gezeigt wurde, wird nun Schritt für Schritt in das Siliciumsubstrat übertragen.
In einem ersten Schritt wird der Sockel in den Wafer zu einer Tiefe von beispielsweise 150 um geätzt. Dieser Schritt umfaßt anisotropes Naßätzen mit wässriger KOH Lösung. Als nächstes wird die Maske für den Sockel (erste Informationsebene der Siliciumdioxidmaske) entfernt durch Ätzen in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure. Sollten die Toleranzanforderungen an die zweite Informationsebene der Maske (Spitzenmaske) sehr hoch sein, dann kann die erste Informationsebene durch anisotropes reaktives Ionenätzen entfernt werden. In einem zweiten Schritt wird die Spitze in den bereits bestehenden Siliciumsockel geätzt. Dieser anisotrope Ätzschritt, welcher eine 37.5 Gew% KOH Lösung bei etwa 60º C verwendet, wird unterbrochen, wenn die 80 um Siliciumdioxidscheiben vollständig unterschnitten sind. Da die Geschwindigkeit für das Unterätzen der zuvor beschriebenen 37.5 Gew% KOH Lösung bei etwa 60º C etwa zweimal so hoch ist wie die Ätzgeschwindigkeit in (100) Richtung, wird ein vollständiges Unterschneiden bei einer Ätztiefe erhalten, welche grob etwa einem Viertel des Spitzendurchmessers entspricht. Die Ätzbedingungen lassen darauf schließen, daß die hohe Konzentration der KOH Lösung verantwortlich ist für die niedrige Ätzrate in der (100) Richtung, verglichen mit anderen Richtungen. Die Ätztemperatur ist nicht kritisch im Hinblick auf das Ätzratenverhältnis.
Aus der vollständigen Unterschneidung der Spitzenmaske (zweite Informationsebene der Siliciumdioxidmaske) resultiert eine Siliciumspitze mit einer Orientierung in der langsam ätzenden (100) Richtung, wobei die Spitze von schnell ätzenden Flächen begrenzt wird (siehe Fig. 2e des vorhergehenden Beispiels). Wegen des scharfen Konuswinkels der Spitze von etwa 45º folgt aus dem Überätzen eine schnelle Verkürzung der Spitze. Deshalb muß das Maximum der Ätzzeit sorgfältig auf den Durchmesser der Scheibe abgestimmt werden.
Die Spitze dieses Beispiels hat eine Höhe von etwa 20 um und einen Radius von etwa < 10 nm, welches eine ausgezeichnete Struktur darstellt, um STM Bilder hoher Qualität zu erhalten.
Für die STM Profilometrie können die Spitzen, die gemäß dieser Erfindung hergestellt wurden, einen metallischen Überzug tragen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Sensoren für die AFM/STM Profilometrie, welche aus einem Balken mit einer Spitze an einem Ende und einem Befestigungsblock am anderen Ende bestehen, das folgende Schritte umfaßt:

1. beidseitiges Beschichten eines Wafersubstrats (41) mit einer Schicht aus anorganischem Material (43, 42);

2. Herstellen einer Maske für das gewünschte Muster des Balkens (45) auf der Oberseite des Wafers (41) und in dem oberen Teil besagter Schicht (43), und einer Maske in besagter Schicht (42) auf der Unterseite des Wafers unter Anwendung eines ersten photolithographischen Schritts und eines Ätzschritts;

3. Herstellen einer Maske für das gewünschte Muster der Spitze (48) im Bereich des Balkenmusters (45) unter Anwendung eines zweiten photolithographischen Schritts und eines Ätzschritts, und gleichzeitiges Übertragen des Balkenmusters (45) auf eine tiefere Ebene besagter Schicht (43);

4. Übertragen des Balkenmusters (45) und des Musters für die Spitze (48) in das Wafersubstrat (41) durch

a) Ätzen besagter Schicht (43) auf eine solche Tiefe, daß die Bereiche (49) besagter Schicht (43), die sich an die Balkenmaske (45) anschließen, entfernt werden;

b) anisotropes Naßätzen des Wafersubstrats (41) auf eine Tiefe, die der gewünschten Dicke des Balkens entspricht;

c) Entfernen der Balkenmaske (45) und der verbleibenden Bereiche besagter Schicht (43) auf dem Wafersubstrat (41) durch Ätzen;

d) Formen der Spitze (410) durch anisotropes Naß- und Unterätzen der Spitzenmaske (48), und gleichzeitiges Übertragen des Balkenmusters auf eine tiefere Ebene des Wafersubstrats (41).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Siliciumdioxidschicht (43, 42) auf beide Seiten eines monokristallinen (100) Siliciumwafersubstrats (41) in einer Schichtdicke von etwa 3 um thermisch aufgewachsen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Balkenmuster, welches in dem ersten photolithographischen Schritt in einer etwa 3 um dicken Photoresistschicht auf der Siliciumdioxidschicht (43) definiert wird, in den oberen Teil besagter Siliciumdioxidschicht (43) in eine Tiefe von etwa 0,3 um übertragen wird durch Naßätzen mit 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, bei dem gleichzeitig mit dem Ätzen der Siliciumdioxidschicht (43) auf der Oberseite rechteckige Muster (46) in der entsprechenden Tiefe in die Siliciumdioxidschicht (42) auf der Unterseite geätzt werden, und, nach dem Schützen der Oberseite durch eine Photoresistschicht, das Siliciumdioxid, welches in den besagten Bereichen (46) verbleibt, durch Ätzen in 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Muster der Spitze, welches in dem zweiten photolithographischen Schritt in einer Photoresistschicht innerhalb des Bereichs des Balkenmusters (45) definiert wurde, in die Siliciumdioxidschicht in besagtem Bereich übertragen wird durch Naßätzen mit 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure, und das Balkenmuster (45) gleichzeitig auf eine tiefere Ebene besagter Schicht (43) übertragen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Entfernen des Siliciumdioxids in den Bereichen (49) durch Naßätzen mit 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure der Balken anisotrop in das Siliciumwafersubstrat (41) geätzt wird unter Anwendung besagter Maske (45) und einer wässrigen KOH Lösung (37,5 Gew.%) bei etwa 80 ºC.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, bei dem unmittelbar nach dem Ätzen des Siliciumbalkens die Siliciumdioxid-Balkenmaske (45) entfernt wird durch Ätzen mit 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure, und anschließend die Spitze (410) anisotrop in das Siliciumwafersubstrat innerhalb des Bereichs des Balkens geätzt wird unter Anwendung der Maske (48) für die Spitze und einer wässrigen KOH Lösung (37,5 Gew.%) bei etwa 60 ºC.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, welches als weitere Schritte das Dünnen des Siliciumwafersubstrats (41) vor der Übertragung der Maskenstruktur (45, 48) in besagtes Siliciumwafersubstrat (41), und das Dünnen während des Ätzens des Siliciumbalkens und der Siliciumspitze durch anisotropes Ätzen von der Unterseite des Wafers her, unter Anwendung der Maske (46) auf der Unterseite und einer wässrigen KOH Lösung bei etwa 60 bis 80 ºC, umfaßt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Siliciummembran, die in den Bereichen (49) verbleibt, von der Unterseite des Wafers durch reaktives Ionenätzen mit CF&sub4; als Ätzgas und einem Druck von etwa 10 ubar entfernt wird, wodurch der Siliciumbalken mit einer Spitze als integralem Bestandteil freigelegt wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein kleines Stück des Wafers ausgeschnitten wird für die Befestigung der Balken-und-Spitze-Einheit auf einem piezoelektrischen Bimorph (Fig. 1).

11. Verfahren nach Anspruch 1, welches des weiteren umfaßt:

1. Definieren von Scheiben mit einem ersten Durchmesser in einer Siliciumdioxidschicht auf der Oberseite eines Siliciumwafersubstrats, wobei die Scheiben Masken bilden für das Ätzen der Sockel in das Siliciumwafersubstrat, unter Anwendung des ersten photolithographischen Schritts und Ätzen;

2. Definieren von Scheiben mit einem zweiten, kleineren Durchmesser in der Siliciumdioxidschicht, welche über den besagten Scheiben mit einem ersten Durchmesser angeordnet ist, und innerhalb des Bereichs besagter Scheiben, wobei die Scheiben (mit kleinerem Durchmesser) die Masken bilden für das Ätzen von Spitzen in das Siliciumwafersubstrat, unter Anwendung des zweiten photolithographischen Schritts und Ätzen;

3. Anisotropes Ätzen der Sockel in das Siliciumwafersubstrat, unter Anwendung der Scheiben mit dem ersten Durchmesser als Masken und einer wässrigen Lösung von KOH (37,5 Gew.%) bei etwa 60 ºC;

4. Entfernen der Ebene der Masken für das Ätzen der Sockel durch isotropes Ätzen mit 5 : 1 gepufferter Fluorwasserstoffsäure oder durch anisotropes reaktives Ionenätzen;

5. Anisotropes Ätzen der Spitzen in die bereits bestehenden Siliciumsockel, unter Anwendung der Scheiben mit dem zweiten, kleineren Durchmesser als Masken und einer wässrigen Lösung von KOH (37,5 Gew.%) bei etwa 60 ºC.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem Scheiben mit einem Durchmesser von 500 um und anschließend Scheiben mit einem Durchmesser von 80 um in der Siliciumdioxidschicht definiert werden; und Sockel in das Siliciumwafersubstrat bis zu einer Tiefe von etwa 150 um geätzt werden unter Anwendung besagter 500 um Scheiben als Masken, und anschließend Spitzen in die Sockel geätzt werden unter Anwendung besagter 80 um Scheiben als Masken, und für eine Zeit, die für eine vollständige Unterätzung besagter 80 um Scheiben ausreichend ist.

13. Mehrstufige Maske zum Ätzen einer mehrstufigen Struktur in ein Substrat nach Anspruch 1, z. B. eines Balkens mit integrierter Spitze, gekennzeichnet durch

eine erste Maskenebene, welche die Information für den zu ätzenden Balken enthält,

und eine zweite Maskenebene, welche die Information für die auf besagtem Balken zu bildende Spitze enthält.

14. Mehrstufige Maske zum Ätzen einer mehrstufigen Struktur in ein Substrat nach Anspruch 11, z. B. eines Sockels mit integrierter Spitze, gekennzeichnet durch

eine erste Maskenebene, welche die Information für den zu ätzenden Sockel enthält,

und eine zweite Maskenebene, welche die Information für die auf besagtem Sockel zu bildende Spitze enthält.

15. Mikromechanischer Sensor für die AFM/STM Profilometrie, welcher einen Balken umfaßt, der an einem Ende eine Spitze für die Wechselwirkung mit einer abzutastenden Probenoberfläche und an dem anderen Ende, in entsprechender Entfernung von der Spitze, einen Befestigungsblock trägt, dadurch gekennzeichnet, daß

besagter Balken, besagter Befestigungsblock und besagte Spitze ein integriertes Teil bilden, welches mikromechanisch aus einem Stück Material gefertigt ist.